CN103862458A - 一种用于机载伺服系统的六自由度并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的能自动进行位姿补偿的机载平台，以六自由度并联机器平台作为机载平台，平台的固定端的位姿是随机体呈动态变化的，而由六个并联的伸缩杆以及万向铰链控制工作台的位姿始终处于水平状态。通过坐标变化将位置控制问题转化为轨迹跟踪控制问题。由平台的工作面完成负载的横荡、纵荡这两个自由度的控制任务，剩下的一个自由度(转艏)由平台上的负载来完成。从而实现伺服系统的快速稳定准确的目标跟踪。本发明可用于车辆、飞机中的机载武器、目标探测系统等。

Description

一种用于机载伺服系统的六自由度并联平台

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，涉及一种并联机器人系统的综合及控制方法，特别涉及一种六自由度并联机器平台与伺服系统的综合与控制方法。

背景技术

并联机器人是由多条独立的运动链连接末端执行器和固定系统而形成的多闭环机构。它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点，已经成功地用于加工中心、操作机器人、运动训练装置、微动器、微型机器人以及多维传感器等众多领域，并以其特有的并联机器人多运动链构成的闭环机构方式，成为一个潜在的高速高精度的运动平台。目前关于并联机器人的研究开发和应用正日益广泛，应用的领域也在不断的扩展，这些重要应用弥补了串联机器人的不足，扩大了机器人的应用范围。

常规的机载平台的工作台随车体的运动不能保持水平状态，因此机载系统进行工作时，必须根据当前的机体位姿进行相应的机体姿态的修正，这个过程无疑对机载系统的控制速度和精度产生了一定的影响。

因此设计一种新型的能自动进行位姿补偿的机载平台具有重要的应用价值。使用并联平台作为机载平台，充分利用其高精度与高速度以及工作面可以灵活控制等特点，便可以达到较好的机载系统的控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种新型的能自动进行位姿补偿的机载平台，实现机载伺服系统的快速跟踪。

本发明所采用的技术方案是：一种六自由度并联机器平台与伺服系统的综合方法，主要包括以下内容：

(1)六自由度并联机器平台与伺服系统的综合设计。将机器平台与伺服系统作为完成伺服系统跟踪任务的一个总体进行设计，并联机器平台负责提供高质量的水平位置，伺服系统负责完成水平位置下的跟踪，将一个任务分解为两个部分同步处理。

(2)利用坐标变换将位姿控制转化为跟踪控制问题。并联机器平台的跟踪问题已有了一些研究成果，而作为水平平台的控制却很少有研究，实际上通过相应的坐标变换便可以为两者之间架起桥梁。

(3)综合系统的动力学模型的建立。充分考虑系统本身的特点，以及外界环境因素的影响，在坐标变换后，建立动力学模型

(4)系统各部分任务分配。

附图说明

附图为机载并联平台示意图。

图中①铰链②伸缩杆③工作台④固定平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明采用六自由度并联平台作为机载平台，通过系统设计，使该平台的工作面始终保持水平，以并联机器人本身所具有的高速度高精度的特点，保证了机载负载的快速跟踪以及跟踪的精确度，具体实施方式如下：

(1)系统的综合设计

本发明以机载六自由度并联平台为研究对象(如图1所示)，其固定平台④固定在机体。由于机体在运动过程中有一定的位姿。常规的机载平台的工作台随车体的运动不能保持水平状态，因此机载系统进行工作时，必须根据当前的机体位姿进行相应的机体姿态的修正，这个过程无疑对机载系统的控制速度和精度产生了一定的影响。

区别于以往静止的并联平台，该发明中机载并联平台的固定平台的位姿是动态变化的。由六个并联的伸缩杆②以及与其相连的万向铰链①控制工作台的位姿，以保证工作平台③始终处于水平状态，使负载位姿在运行中保持平稳，不需要在负载的控制器设计中进行载体的位姿修正。进一步，当该平台用于机载武器等平台时，利用平台及所搭载的伺服系统进行协调控制，以确保对目标的快速、准确的跟踪。

(2)综合系统的坐标变换

由于机(车)载并联平台固定在运动的机体上，与传统并联机器人平台不同的是，一方面，机体本身具有可测的变化的姿态，从而导致固定平台(见图1)具有可测的变化的姿态；另一方面，在运动过程中具有不可测的动态干扰，例如机体的颠簸等。综合考虑上述因素，必须利用坐标变化，将问题由“固定平台在具有可测变化姿态的前提下，工作台必须保持水平(见图1)”的位置控制问题转化为“固定平台保持水平不变，工作台跟踪期望轨迹”的并联机器人的轨迹跟踪控制问题；即将p-xyz平面的水平控制问题通过坐标变换转化为该平面的位置轨迹跟踪问题。

(3).综合平台跟踪问题的动力学模型的建立

a.首先充分考虑机身的扰动以及对各支路进行分解时，存在单支路负载变化和耦合干扰等不确定性因素，并考虑相互作用的影响，合理建立系统的无模型动态，将整体问题转化为各支路的问题考虑。

b.用并联机器人各个部件的雅可比矩阵描述动平台在任务空间的速度、加速度以及两岸和滑块的速度、加速度之间的关系。最终得到综合系统的雅可比矩阵为

$J_{\mathrm{sys}}=[{\left(\frac{{\∂v}_p}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂v}_{d,1}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂v}_{u,1}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂v}_{s,1}}{\∂q}\right)}^T,\·\·\·,{\left(\frac{{\∂v}_{d,6}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂v}_{u,6}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂v}_{s,6}}{\∂q}\right)}^T,$ (1)

${\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_p}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{d,1}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{u,1}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{s,1}}{\∂q}\right)}^T,\·\·\·,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{d,6}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{u,6}}{\∂q}\right)}^T,{\left(\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{s,6}}{\∂q}\right)}^T{]}^T$

其中，v_p，ω_p分别为工作面质心的速度与角速度，v_d，i，v_u，i，v_s，i，ω_d，i，ω_u，i，ω_s，i(i＝1…6)六个不同支路不同构件的速度、角速度，q为上平台的位置[x，y，z]^T以及转动欧拉角[φ，β，α]^T。定义V＝(v^Tω^T)^T得：

$\stackrel{\·}{V}=J_{\mathrm{sys}}\stackrel{\·\·}{q}+{\stackrel{\·}{J}}_{\mathrm{sys}}\stackrel{\·}{q}---\left(2\right)$

c.借助于Hensen提出一种包含指数函数的非线性模型，进行并联机器人的摩擦力建模，并通过神经网络学习的方法获得了模型参数。

c.最后利用虚功原理，将坐标转化后的工作台坐标选为广义坐标，建立系统的动力学模型如下：

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})+G\left(q\right)=J^T\left(q\right)u---\left(3\right)$

(4).系统各部分的任务分工

当图1中负载为三自由度伺服系统时，平台可用于机载状态下的姿态控制，例如机载火炮系统的控制等。一种方式可以使用并联平台始终控制其工作台保持水平，同时单独控制伺服系统的姿态。这种策略由于两个子系统分别控制，因而方案相对简单，但累积误差较大，并且存在两个冗余驱动。

本发明充分利用并联机器人自身的优势，由平台的工作面完成负载的横荡、纵荡这两个自由度的控制，剩下的一个自由度(转艏)由平台上的负载来控制。这样的方案一来从结构上使原先的三自由度伺服系统大大简化，二来将两个系统设计为一个整体，整体建模，整体设计，提高控制速度与精度。

本发明提供了设计一种新型的能自动进行位姿补偿的机载平台的设计方法。使用并联平台作为机载平台，与机载系统协调控制，充分利用其高精度与高速度以及工作面可以灵活控制等特点，便可以达到较好的机载系统的控制效果。

Claims (5)

1.一种用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于以六自由度并联机器平台作为机载平台，并载有伺服系统作为负载，通过系统综合实现伺服系统的快速稳定准确的目标跟踪。

2.根据权利1所述的用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于选取的平台为六自由度的并联平台，并由六个并联的伸缩杆以及万向铰链控制工作台的位姿。

3.根据权利1所述的用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于平台的固定端的位姿是随机体呈动态变化的，而工作平台始终处于水平状态。

4.根据权利1所述的用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于必须利用坐标变化将位置控制问题转化为轨迹跟踪控制问题，其动力学模型为如下形式：

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})+G\left(q\right)=J^T\left(q\right)u.$

5.根据权利1所述的用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于对于负载的三自由度，由平台的工作面完成负载的横荡、纵荡这两个自由度的控制任务，剩下的一个自由度(转艏)由平台上的负载来完成。